پرینتر های سه بعدی چگونه کار می کنند؟ (قسمت اول)

ساعت ها گشتن در بازار برای پیدا کردن کالای مورد علاقه که شکل, اندازه, رنگ و دیگر فاکتورهای آن با سلیقه شخصی ما مطابق باشند گاها بسیار سخت بوده و تصور اینکه در خانه و بدونه خستگی از گشت و گذار, کالای مورد نیاز خود را از یک دستگاه جادویی بیرون دهیم شاید آرزوی بسیاری از ما باشد. اما تمام این حرف ها برای گذشته بود و امروز به لطف پرینتر های سه بعدی طراحی و ساخت قطعات پیچیده حتی با قسمت های متحرک, بسیار ساده و سریع شده و در آینده نه چندان دور هم برای مصارف خانگی مقرون به صرفه خواهد شود.

محصولات افزودنی Additive manufacturing یا به طور مخفف AM به مجموعه ای از محصولات گفته می شود که توسط تکنولوژی پرینتر های سه بعدی تولید شده باشند. معنی واژه AM در واقع ایجاد یک شی به وسیله اضافه کردن ماده به آن به صورت لایه به لایه می باشد. این واژه به وسیله موسسه بین المللی ASTM برای استفاده در این فن آوری به وجود آمد اما در طول تاریخ, این فناوری با نام های زیادی مانند چاپ چند بعدی, لایه بندی سه بعدی و پرینت سه بعدی نیز نام گذاری شده است. اما در میان این نام ها پرینت سه بعدی به خاطر شباهت بسیار زیادش به نوع فرآیند این فناوری بیشتر مورد استقبال قرار گرفته است.

شما می توانید برخی از اصول اولیه تکنولوژی AM را در غار های ماقبل تاریخ, جایی که قطرات آب حاوی مواد معدنی بعد از هزاران سال بر روی هم چکیده را مشاهده کنید, با این تفاوت که پرینتر های سه بعدی بر خلاف سازه های هزاران ساله در عرض مدت کوتاهی و با طرح و برنامه قبلی از کامپیوتر, اشیاء مورد نظر ما را به وجود می آورند. در واقع کامپیوتر, به وسیله نرم افزار مخصوص به طور دقیق جای هر لایه را مشخص کرده تا نهایتا به طرح مورد نظر ختم شود.

محصولات افزودنی و پرینت سه بعدی به طور چشمگیری در حال رشد بوده و در فن آوری های جدید به عنوان آغازی برای ساخت سریع نمونه های اولیه از محصولات پزشکی, دندان پزشکی, هوا فضا و یا صنایع خودرو به کار می رود. پرینتر های سه بعدی همچنین عبوری هم بر دنیای اسباب بازی, مبلمان, هنر و مد داشته اند.

این مقاله قصد دارد به طور گسترده به پرینتر های سه بعدی بپردازد, از تاریخچه و فن آوری آن تا گستره وسیع موارد قابل استفاده, از جمله پرینت مدل های سه بعدی در خانه. ابتدا اجازه دهید تا ببینیم پرینت سه بعدی چگونه آغاز شده و امروز چگونه در حال رشد است.

تاریخچه پرینتر های سه بعدی

اولین بار در اواخر دهه 1980 و اوایل دهه 1990 از فناوری محصولات افزودنی در ساخت نمونه سازی سریع استفاده شد. نمونه های اولیه به سازندگان اجازه می دهند پیش از تولید عمده و عرضه محصول خود با دقت بیشتری طراحی آن را بررسی و حتی کارایی آن را آزمایش کنند. به لطف این فناوری, ساخت نمونه های اولیه که تا پیش از آن گاها تا چند ماه هم به طول می کشید به چند روز یا چند ساعت کاهش یافت.

طراحان در نمونه سازی سریع با استفاده از نرم افزارهای CAD, اصول اولیه را به کامپیوتر تفهیم کرده و سپس دستگاه با دریافت دستورات, آن را اجرا می کند. این فرآیند که بر اساس ایجاد اشیاء با پرینت و بر پایه طرح لایه به لایه بوده به عنوان پرینت سه بعدی شناخته می شود.

برای اولین بار توسعه رسمی فناوری پرینتر های سه بعدی در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) و شرکتی به نام 3D Systems آغاز شد. در دهه 1990, MIT طرحی را با استفاده از نام تجاری پرینت سه بعدی توسعه داد که بعدها به طور اختصار به 3DP نیز شناخته شد. در سال 2011 موسسه MIT به شش شرکت پیشگام در این زمینه مجوز استفاده از فرآیند 3DP را در محصولاتشان صادر کرد.

شرکت  3D Systems که در شهر راک هیل واقع شده از ابتدای حضورش در سال 1986 تا به امروز به عنوان یکی از پیشگامان توسعه و استفاده از این فناوری نوپا محسوب می شود. این شرکت همچنین محصولاتی هم مانند (SLA) و (SLS) با نام تجاری خود به ثبت رسانده که بعدا در ادامه مقاله به آن خواهیم پرداخت. هرچند که دانشگاه MIT و شرکت 3D Systems همچنان به عنوان پیشگامان این زمینه باقی مانده اند اما شرکت های دیگری نیز مانند Objet Geometries و Stratasys و Z نیز در این زمینه به پیشرفت های چشمگیری دست یافته اند.

با بهبود هرچه سریعتر این فناوری از افزایش جزییات قابل پرینت توسط دستگاه تا افزایش سرعت پاکسازی قطعات پرینت شده و خروجی نهایی, امروز برخی از شرکت ها در کشور های پیشرفته از فناوری پرینت سه بعدی برای تولید محصولات نهایی خود استفاده می کنند. با سریعتر شدن فرآیند ها, کاهش هزینه ساخت مواد و تجهیزات به همراه افزایش گستره مواد قابل بکارگیری مانند فلزات و سرامیک, پرینتر های سه بعدی از ابعاد یک ماشین سواری در حال تقلیل به یک ماکروویو کوچک هستند.

با این حال پرینتر های سه بعدی و کلیه سیستم هایی که بر پاییه فناوری AM کار می کنند هنوز بازیگری نوپا در عرصه تولید محسوب می شود. به همین خاطر هنوز هم گاها با فناوری های مشابه مانند CNC اشتباه گرفته شده یا مقایسه می شود. در صورتی که CNC فرایند حذف لایه به لایه از شی مورد نظر برای رسیدن به محصول نهایی است درست مانند کنده کاری بر روی سنگ.

پرینت سه بعدی مستقیم و چسبی

یکی از مدل های پرینت سه بعدی مدل موسوم به مستقیم است. در این روش پرینتر از فناوری پرینتر های جوهر افشان که در دهه 1960 برای پرینت دو بعدی بر روی کاغذ به وجود آمد, استفاده کرده که درست مانند یک پرینتر دو بعدی, نازل برای توزیع مایع به حرکت عقب و جلو در خواهد آمد. اما بر خلاف پرینتر های دو بعدی حرکات بالا و پایین نیز برای قراردادن چند لایه از ماده بر روی هم استفاده می شوند. علاوه بر این پرینتر های سه بعدی جوهر نیز نیاز نداشته و از موم و پلیمر برای تولید جسم سه بعدی بهره می برد.

نمونه های سریع که پیشتر نیز در مورد آن گفته شده بود, در واقع به عنوان عامل اصلی رشد پرینتر های سه بعدی به روش مستقیم شناخته می شوند. در سال 1994 شرکت ModelMaker با همکاری شرکت Solidscape برای اولین بار موفق به تجاری سازی پرینتر های جوهر افشان در زمینه نمونه سازی سریع شد. طولی نکشید که بسیاری از شرکت های مشابه در زمینه نمونه سازی دنباله روی آنها شده و رو به نمونه های مومی آوردند. برای نمونه امروزه نمونه های سریع و پیشرفته به وسیله فناوری هایی مانند  multi-jet modeling به اختصار (MJM) ساخته شده که ده ها تن از نمونه های مومی را به سرعت به وسیله نازل های چند گانه روی هم پیاده سازی می کند.

پرینتر های سه بعدی چسبی, مانند پرینتر های مستقیم با استفاده از نازل های جوهر افشان کار کرده و ماده را برای فرم گیری نهایی لایه به لایه روی هم سوار می کنند. اما تفاوت در استفاده مدل چسبی از دولایه متفاوت با هم برای ساخت هر لایه است. چیزی مانند یک چسب خشک کننده قوی. پرینتر های سه بعدی چسبی در واقع دو مرحله را برای ساخت هر لایه طی می کنند مرحله اول جایگذاری لایه نازکی از پودر حاوی ماده مورد نظر و مرحله دوم استفاده از نازل برای اعمال چسب بر روی آن است. این مراحل دوگانه آنقدر ادامه پیدا می کند تا ساخت مدل به پایان برسد.

پروژه پرینتر سه بعدی MIT از این دسته پرینتر ها بود که MIT مجوز استفاده از این فناوری را برای شرکت ها منوط به استفاده نوعی خاصی از مواد و چسب, عمومی کرده است. استفاده کمتر از نازل برای پیاده سازی مواد و تنوع بیشتر در استفاده از مواد خروجی مانند فلزات, سرامیک یا حتی رنگ به عنوان مزیت های مدل چسبی نسبت به مدل مستقیم شناخته می شوند.

مدل فرم دهی حرارتی

این مدل نیز از کلیاتی مانند مدل های دیگر بهره می برد که در آن از نازل های بسیار نازک و نزدیک به هم, پلاستیک مذاب خارج می شود. این مدل می تواند اشیاء بسیار زیر و دقیق در اندازه های چند میلیمتری تولید کند.

پلیمر سازی نوری و تثبیتی

در این روش پرینتر سه بعدی قطراتی از پلاستیک مایع را در معرض پرتو ماوراء بنفش قرار می دهد. در طی این فرآیند مایع به واسطه نور به جامد تبدیل می شود. در طول این مدت در واقع واکنشی شیمایی بوسیله نور در پلیمر باعث ایجاد پلاستیک سرد می شود. در سال 2000 موسسه Piedmont Triad برای تحقیقات پیشرفته با مشارکت مدارس و مشاغل, آموزش مهارت های فلزکاری دستی را در کلیفرنای شمالی آغاز کرد. در برخی از این گروه های آموزشی, یک دستگاه پلیمر ساز SLA از شرکت 3D Systems مورد استفاده قرار گرفته بود. این دستگاه پرتو مستقیم لیزر را به سمت نوع خاصی از پلاستیک مایع موسوم به فوتو پلیمر می فرستد. درست مانند دیگر پرینتر های سه بعدی, SLA نیز فرآیند کاری خود را تا پایان پرینت ادامه خواهد داد.

مدل پخت یکی دیگر از روش های فناوری محصولات افزودنی است که در آن  تکه ها داغ و با یکدیگر ترکیب شده تا پرینت به طور کامل انجام شود که Selective laser sintering یا (SLS) نام دارد. این فناوری از پرتو لیزر برای ذوب پودر پلاستیکی استفاده می کند. درست مشابه مکانیسمی که در پرینتر های دو بعدی برای داغ کردن تونر و نفوذ آن در کاغذ استفاده می شود.

مدل پخت به خاطر اینکه غالب فلزات نیاز به ذوب و تغییر شکل دارند بیشتر برای ایجاد اشیاء فلزی استفاده می شود.

منبع: howstuffworks